JP6613899B2 - Semiconductor device driving apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換装置等に適用される半導体素子の駆動装置に関する。 The present invention relates to a driving device for a semiconductor element applied to a power conversion device or the like.
従来、電圧駆動型半導体素子であるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を使用した電力変換装置が知られている(例えば特許文献1)。このような電力変換装置では、通常、IGBTを直列に2つ接続してスイッチングアームを構成している。
このスイッチングアームを構成する2つのIGBTは、同時にオン状態となった場合に、IGBTを流れる電流の増大を抑制するために、IGBTの制御電極であるゲートと低電位側電極であるエミッタ間にダイオードとコンデンサとの直列回路で構成されるクランプ回路を接続するようにしている。
Conventionally, a power converter using an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) which is a voltage-driven semiconductor element is known (for example, Patent Document 1). In such a power conversion device, normally, two IGBTs are connected in series to form a switching arm.
In order to suppress an increase in current flowing through the IGBT when the two IGBTs constituting the switching arm are simultaneously turned on, a diode is provided between the gate which is the control electrode of the IGBT and the emitter which is the low potential side electrode. A clamp circuit composed of a series circuit of a capacitor and a capacitor is connected.
このクランプ回路は、IGBTの高電位側電極となるコレクタとゲート間の帰還容量を介してゲートに流れる込む電流の一部をコンデンサにチャージすることにより、ゲート電圧Vgeの上昇を抑制するようにしている。そして、ダイオードは、コンデンサの電荷をゲートへ逆流させないために挿入されている。このダイオードによって、IGBTのゲートにPWM信号が印加されたときにゲート電圧がふらつくことを抑制している。 This clamp circuit suppresses the rise in the gate voltage Vge by charging the capacitor with a part of the current flowing into the gate via the feedback capacitance between the collector which becomes the high potential side electrode of the IGBT and the gate. Yes. The diode is inserted to prevent the charge of the capacitor from flowing back to the gate. This diode prevents the gate voltage from fluctuating when a PWM signal is applied to the gate of the IGBT.
しかしながら、特許文献1に記載されている従来例にあっては、クランプ回路をダイオードとコンデンサの直列回路で構成し、ダイオードのアノードをIGBTのゲートに接続するようにしている。このため、コンデンサへの充電電圧は、ダイオードでの降下電圧分低い電圧までしか充電することができず、蓄積電圧範囲が狭くなり、この分後述の逆回復サージ電圧抑制効果が低下するとともに、IGBTのターンオン時にダイオードを通じてコンデンサに充電されるため、ゲート電圧の立ち上がりが遅くなり、ターンオン損失が増加するという課題がある。
However, in the conventional example described in
そこで、本発明は、上述した特許文献1に記載された従来例の課題に着目してなされたものであり、電圧制御形半導体素子の逆回復サージ電圧を抑制しながらターンオン損失を低下させることができる半導体素子の駆動装置を提供することを目的としている。
Therefore, the present invention has been made paying attention to the problem of the conventional example described in
上記目的を達成するために、本発明の一態様による半導体素子の駆動装置は、還流ダイオードを逆並列に接続した電圧制御形半導体素子の制御電極を駆動する駆動回路を備えた半導体素子の駆動装置であって、制御電極と駆動回路との間に接続した抵抗と、この抵抗と制御電極との間に一端を接続したコンデンサと、このコンデンサの他端と前記電圧制御形半導体素子の低電位側電極との間に接続されたスイッチ素子とを備え、スイッチ素子の制御電極を抵抗及びコンデンサの接続点に接続している。 To achieve the above object, a semiconductor device driving apparatus according to an aspect of the present invention includes a driving circuit for driving a control electrode of a voltage-controlled semiconductor element in which freewheeling diodes are connected in antiparallel. A resistor connected between the control electrode and the drive circuit, a capacitor having one end connected between the resistor and the control electrode, the other end of the capacitor and the low potential side of the voltage-controlled semiconductor element And a switch element connected between the electrodes, and a control electrode of the switch element is connected to a connection point of the resistor and the capacitor.
本発明の一態様によれば、還流ダイオードを逆並列に接続した電圧制御形半導体素子の逆回復サージ電圧を抑制しながらターンオン損失を低下させることができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to reduce the turn-on loss while suppressing the reverse recovery surge voltage of the voltage controlled semiconductor element in which the freewheeling diodes are connected in antiparallel.
次に、図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。
また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
以下、本発明の一の実施の形態に係る半導体素子の駆動装置について図面を参照して説明する。本実施形態では、半導体素子として電圧駆動型半導体素子を例にとり、半導体素子の駆動装置として半導体素子のゲート駆動装置を例にとって説明する。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals.
Further, the embodiment described below exemplifies an apparatus and a method for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is the material, shape, structure, The layout is not specified as follows. The technical idea of the present invention can be variously modified within the technical scope defined by the claims described in the claims.
Hereinafter, a semiconductor device driving apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, a voltage-driven semiconductor element is taken as an example of a semiconductor element, and a semiconductor element gate drive apparatus is taken as an example of a semiconductor element drive apparatus.
まず、本発明に係る半導体素子のゲート駆動装置を備えた電力変換装置10について図1を用いて説明する。
図1に示すように、電力変換装置10は、三相交流電源11に接続されている。電力変換装置10は、三相交流電源11から入力する三相交流電力を全波整流する整流回路12と、この整流回路12で整流された電力を平滑化する平滑用コンデンサ13とを有している。整流回路12は、図示は省略するが、6つのダイオードをフルブリッジ接続して構成するかまたは6つのスイッチング素子をフルブリッジ接続している。
First, a
As shown in FIG. 1, the
整流回路12の正極出力端子に正極側ラインLpが接続され、負極出力端子に負極側ラインLnが接続されている。これら正極側ラインLp及び負極側ラインLn間に平滑用コンデンサ13が接続されている。
また、電力変換装置10は、正極側ラインLp及び負極側ラインLn間に印加された直流電圧を三相交流電圧に変換するインバータ回路21を備えている。このインバータ回路21は、正極側ラインLpに接続された上アーム部を構成する例えば電圧制御型半導体素子としての絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(以下、IGBTと称す)22a,22c,22eと、負極側ラインLnに接続された下アーム部を構成するIGBT22b,22d,22fとを備えている。
A positive electrode side line Lp is connected to the positive electrode output terminal of the
Further, the
IGBT22a及びIGBT22bは、正極側ラインLpと負極側ラインLnとの間に直列に接続されてU相出力アーム23Uを構成している。IGBT22c及びIGBT22dは、正極側ラインLpと負極側ラインLnとの間に直列に接続されてV相出力アーム23Vを構成している。IGBT22e及びIGBT22fは、正極側ラインLpと負極側ラインLnとの間に直列に接続されてW相出力アーム23Wを構成している。
各IGBT22a〜22fには、それぞれ還流ダイオード24a〜24fが逆並列に接続されている。すなわち、各IGBT22a〜22fの高電位側電極となるコレクタに還流ダイオード24a〜24fのカソードがそれぞれ接続され、IGBT22a〜22fの低電位側電極となるエミッタに還流ダイオード24a〜24fのアノードがそれぞれ接続されている。
IGBT22a and IGBT22b are connected in series between the positive electrode side line Lp and the negative electrode side line Ln, and comprise the
そして、IGBT22a及びIGBT22bの接続部と、IGBT22c及びIGBT22dの接続部と、IGBT22e及びIGBT22fの接続部は、誘導性負荷となる三相交流電動機15にそれぞれ接続されている。
また、電力変換装置10は、IGBT22a〜22fを個別にスイッチング動作を制御するゲート駆動装置(GDU)25a〜25fをそれぞれ有している。
各ゲート駆動装置25a〜25fの出力端子は、IGBT22a〜22fの制御端子となるゲート端子にそれぞれ接続されている。
And the connection part of IGBT22a and IGBT22b, the connection part of IGBT22c and IGBT22d, and the connection part of IGBT22e and IGBT22f are each connected to the three-phase alternating
Moreover, the
The output terminals of the
したがって、インバータ回路21は、U相出力アーム23U、V相出力アーム23V及びW相出力アーム23Wが並列接続された三相フルブリッジ回路と、U相出力アーム23Uのスイッチング動作を制御するゲート駆動装置25a,25bと、V相出力アーム23Vのスイッチング動作を制御するゲート駆動装置25c,25dと、W相出力アーム23Wのスイッチング動作を制御するゲート駆動装置25e,25fとを有している。
次に、本実施形態による駆動装置について、ゲート駆動装置25bを例にとり、図1を参照しつつ図2を用いて説明する。なお、ゲート駆動装置25a,25c,25d,25e,25fは、ゲート駆動装置25bと同様の構成を有している。
Therefore, the
Next, the drive device according to the present embodiment will be described using the
図2に示すように、ゲート駆動装置25bは、外部からIGBT22bをオン・オフ制御する例えばパルス幅変調(PWM)信号でなる制御信号CS(b)が入力されるインターフェイス回路26と、このインターフェイス回路26から出力される内部制御信号によってIGBT22bをオン・オフ制御するゲート駆動回路27とを備えている。
ゲート駆動回路27は、正極ラインP1と負極ラインN1との間に接続されており、npn型バイポーラトランジスタ28と、pnp型バイポーラトランジスタ29とが直列に接続されている。そして、npn型バイポーラトランジスタ28は、コレクタが正極ラインP1に接続され、エミッタがpnp型バイポーラトランジスタ29のエミッタに接続され、ベースがインターフェイス回路26に接続されている。
As shown in FIG. 2, the
The
pnp型バイポーラトランジスタ29は、エミッタがnpn型バイポーラトランジスタ28のエミッタに接続され、コレクタが負極ラインN1に接続され、ベースがインターフェイス回路26に接続されている。
したがって、npn型バイポーラトランジスタ28はインターフェイス回路26から出力される内部制御信号がハイレベルであるときにオン状態となり、ローレベルであるときにオフ状態となる。逆にpnp型バイポーラトランジスタ29はインターフェイス回路26から出力される内部制御信号がハイレベルであるときにオフ状態となり、ローレベルであるときにオン状態となる。
The pnp
Therefore, the npn
そして、npn型バイポーラトランジスタ28とpnp型バイポーラトランジスタ29との接続点がゲート抵抗30を介してIGBT22bのゲートに接続されている。
また、ゲート駆動装置25bは、図2に示すように、ゲート抵抗30及びIGBT22bの制御電極となるゲート電極間にコンデンサ31の一端が接続されている。このコンデンサ31の他端は例えばnpn型バイポーラトランジスタで構成されるスイッチ素子32を介してIGBT22bの低電位電極となるエミッタに接続されている。
スイッチ素子32の制御端子(ベース端子)は、ゲート抵抗30及びコンデンサ31間の接続点に接続されている。
A connection point between the npn-type
In the
A control terminal (base terminal) of the
さらに、コンデンサ31と並列にゲート抵抗30に比較して抵抗値が大きい放電用抵抗33が接続されている。この放電用抵抗33の抵抗値Rdcは、外部から入力されるPWM信号でなる制御信号CS(b)が最大周波数であるときにパルスのオフ時間でコンデンサ31の充電電荷を放電可能な値に設定されている。
ここで、本発明を適用する電力変換装置10のインバータ回路21では、通常、ゲート駆動信号となるPWM信号の周波数は20kHz以下に設定されている。
このため、PWM信号の周波数が最大の20kHzであるとすると、1周期は1/20k=50μsであり、デューティ比を50%とすると、PWM信号のオン時間及びオフ時間はそれぞれ25μsとなる。
Further, a
Here, in the
Therefore, assuming that the frequency of the PWM signal is 20 kHz at the maximum, one cycle is 1/20 k = 50 μs, and if the duty ratio is 50%, the on time and the off time of the PWM signal are each 25 μs.
また、放電時間tと時定数τと放電率との関係は、
t=τの時63.2%
t=2τの時86.5%
t=3τの時95.0%
t=4τの時98.2%
t=5τの時99.3%
となる。
The relationship between the discharge time t, the time constant τ, and the discharge rate is
63.2% when t = τ
86.5% when t = 2τ
95.0% when t = 3τ
98.2% at t = 4τ
99.3% when t = 5τ
It becomes.
ここで、コンデンサ31を放電させるには、放電時間をt=3τとして放電率を95.0%として放電できればよく、求めた放電時間tがインバータの最大周波数で決まるオン・オフ時間25μs以下(t<25μs)であればよいことになる。
そして、コンデンサ31の静電容量Ccは、IGBT22a〜22fのゲート−コレクタ間に寄生するゲート−コレクタ間寄生容量Cgcとゲート−エミッタ間に寄生するゲートエミッタ間寄生容量Cgeとの和で表される入力容量Ciesの1倍から半分でよく、前述したように放電用抵抗33の抵抗値Rdcは、ゲート抵抗30の抵抗値Rgの約10倍に設定する。
Here, in order to discharge the
The capacitance Cc of the
今、コンデンサ31の静電容量をCc=20nF、ゲート抵抗30の抵抗値Rg=1Ω、放電用抵抗33の抵抗値Rdc=10Ωとし、時定数をτとすると、コンデンサ31の放電時間tは、
t=3τ=3×Rdc×Cc=3×10Ω×20nF=600ns
となる。
この結果、放電時間tが600nsであるので、PWM信号のオン・オフ時間25μsより十分に短くなり、PWM信号のオフ時間内で十分に放電可能となる。
Now, assuming that the capacitance of the
t = 3τ = 3 × Rdc × Cc = 3 × 10Ω × 20 nF = 600 ns
It becomes.
As a result, since the discharge time t is 600 ns, the PWM signal is sufficiently shorter than the on / off time of 25 μs, and the discharge can be sufficiently performed within the PWM signal off time.
また、コンデンサ31を放電させるために放電用抵抗33を設けると、スイッチ素子32がオン状態であるときにコンデンサ31の充電が終了していると、ゲート電圧Vgeをゲート抵抗30と放電用抵抗33とで分圧することになる。このため、ゲート駆動回路27から入力されるIGBT22a〜22fのゲート電圧Vgeが正極ラインP1の正電位である+Vp=15Vである場合、放電用抵抗33に掛かっている電圧VdcがIGBT22a〜22fのゲート−エミッタ間に掛かることになる。
Rg=1Ω、Rdc=10Ωであるので、電圧Vdcすなわちゲート電圧Vgeは、
Vge=Vdc=15V×{10/(1+10)}=13.63V
となる。
このため、ゲート電圧Vgeとして15V必要な場合には、ゲート駆動回路27の正極ラインP1の正電位である+Vpを16.5Vに設定することにより、下記式で表されるようにゲート電圧Vge=15Vとなる。
Vge=Vdc=16.5×{10/(1+10)}=15V
Further, when the discharging
Since Rg = 1Ω and Rdc = 10Ω, the voltage Vdc, that is, the gate voltage Vge is
Vge = Vdc = 15V × {10 / (1 + 10)} = 13.63V
It becomes.
Therefore, when 15V is required as the gate voltage Vge, by setting + Vp, which is the positive potential of the positive line P1 of the
Vge = Vdc = 16.5 × {10 / (1 + 10)} = 15V
次に、本実施形態の動作について説明する。
電力変換装置10では三相交流電源11から入力される三相交流電圧を整流回路12で直流電圧に変換し、平滑用コンデンサ13平滑化してからインバータ回路21に入力され、このインバータ回路21で交流電圧に変換して三相交流電動機15に供給する。
電動機が例えば三相誘導電動機であるものとすると、インバータ回路21のU相出力アーム23U、V相出力アーム23V及びW相出力アーム23Wの上アームには、電気角で180°又は120°の駆動信号を120°ずつずらして供給し、下アームには電気角で180°又は120°の駆動信号をさらに60°進めて供給する。
Next, the operation of this embodiment will be described.
In the
If the electric motor is, for example, a three-phase induction motor, the upper arm of the
各相出力アーム23U〜23Wでは、上アームのIGBT22a,22c、22eがオン状態であるときに下アームのIGBT22b、22d、22fがオフ状態となる。そして、上アームのIGBTと下アームのIGBTとが同時にオン状態とならないように、上アームのIGBT22a、22c、22eがオン状態からオフ状態に移行するターンオフ時に上下アームのIGBTが同時にオフ状態となるデッドタイムが設けられている。逆に下アームのIGBT22b、22d、22fがオン状態からオフ状態に移行するターンオフ時にも上下アームのIGBTが同時にオフ状態となるデッドタイムが設けられている。
In each
そして、例えばU相出力アーム23Uの下アームを構成するIGBT22bを例にとって、ターンオン動作を説明する。先ず、ゲート駆動装置25bに供給されるPWM信号である制御信号CS(b)がローレベルである状態ものとすると、インターフェイス回路26から出力される内部制御信号もローレベルとなる。このため、npn型バイポーラトランジスタ28がオフ状態となり、逆にpnp型バイポーラトランジスタ29がオン状態となる。
したがって、IGBT22bのゲート電極がゲート抵抗30を介し、pnp型バイポーラトランジスタ29を介して負極ラインN1の負電位である−Vn(例えば−15V)に接続されている。このため、IGBT22bのゲート電圧Vgeは、図3に示すように、負電位−Vnとなっており、オフ状態を維持する。
Then, for example, the turn-on operation will be described using the
Therefore, the gate electrode of the
このとき、IGBT22bのコレクタ−エミッタ間電圧Vceは、図4の実線の左側部分に示すように、整流回路12の出力を平滑用コンデンサ13で平滑化した電圧である高電圧となっている。また、コレクタ電流Icは、図4の実線の左側部分に示すように、零となっている。
このオフ状態から、図3における時点t1で、ゲート駆動装置25bに入力される制御信号CS(b)がローレベルからハイレベルに切り換わると、pnp型バイポーラトランジスタ29がオフ状態となり、これに代えてnpn型バイポーラトランジスタ28がオン状態となる。このため、正極ラインP1の正電位+Vpがnpn型バイポーラトランジスタ28及びゲート抵抗30を介してIGBT22bのゲート電極に印加される。
At this time, the collector-emitter voltage Vce of the
When the control signal CS (b) input to the
このとき、初期状態では、ゲート電圧Vgeは、IGBT22bのゲート容量を充電しながら増加することになる。このため、ゲート電圧Vgeは、図3に示すように、負極ラインN1の負電位−Vnから上昇する。このときのゲート電圧Vgeは、比較的小さい抵抗値のゲート抵抗30を通じてゲート容量を充電するので、比較的大きな増加率(dV/dt)で増加する。
その後、時点t2でゲート電圧Vgeがスイッチ素子32の閾値電圧Vonに達すると、スイッチ素子32がオン状態となる。このため、ゲート電流の一部がコンデンサ31に分流して蓄積される。これに応じて、図3で実線図示の特性線L11で示すように、ゲート電圧Vgeの増加率(dV/dt)が減少し、ゲート電圧Vgeのミラー電圧Vgmへの到達時間が遅くなる。このため、IGBT22bの立ち上がりが遅くなり、スイッチ素子32を省略してコンデンサ31のみを設けた場合の鎖線図示の特性線L13に比較してターンオン損失を減少させることができる。
At this time, in the initial state, the gate voltage Vge increases while charging the gate capacitance of the
Thereafter, when the gate voltage Vge reaches the threshold voltage Von of the
ここで、ミラー電圧Vgmについて説明しておく。IGBTがターンオンもしくはターンオフするときにIGBTのゲート電圧VgeがIGBTの閾値電圧近傍になると、IGBTのゲート−コレクタ間寄生容量Cgc(ミラー効果により実際の容量値より大きな効果を有している。)を充放電するためにゲート電圧Vgeがフラットになるミラー期間と呼ばれる期間があり、ミラー電圧Vgmとはこのミラー期間中のゲート電圧Vgeのことである。ミラー期間はコレクタ−エミッタ間電圧Vceが変化する期間であり、コレクタ−エミッタ間電圧Vceが最終値に達すると終了する。 Here, the mirror voltage Vgm will be described. When the IGBT gate voltage Vge is close to the IGBT threshold voltage when the IGBT is turned on or turned off, the IGBT gate-collector parasitic capacitance Cgc (has an effect larger than the actual capacitance value due to the mirror effect). There is a period called a mirror period in which the gate voltage Vge is flat for charging and discharging, and the mirror voltage Vgm is the gate voltage Vge during this mirror period. The mirror period is a period in which the collector-emitter voltage Vce changes and ends when the collector-emitter voltage Vce reaches the final value.
すなわち、コンデンサ31のみを設けた場合には、IGBT22bのターンオン時に、ゲート電圧Vgeが図3で一点鎖線の特性線L13で示すように負電位−Vnから増加を開始した時点からコンデンサ31に電荷の蓄積が開始される。このため、ゲート電圧Vgeが、負電位−Vnからの立ち上がり開始時点からdV/dtが徐々に小さくなってしまう。したがって、ゲート電圧VgeがIGBT22bのミラー電圧Vgmに達するまでの時間が長くなってしまい、スイッチング損失によるターンオン損失が大きくなってしまう。
That is, when only the
しかしながら、本実施形態では、コンデンサ31とIGBT22bのエミッタとの間にスイッチ素子32を接続することにより、前述したように、スイッチ素子32がオフ状態を維持している間では、ゲート電圧Vgeが実線図示の特性線L11で示すように、コンデンサ31自体を設けない場合の点線図示の特性線L12で表されるゲート電圧Vgeの増加率(dV/dt)と等しくなる。このため、立ち上がりが急峻となり、その後スイッチ素子32がオン状態となることにより、ゲート電圧Vgeの増加率(dV/dt)が小さくなる。したがって、本実施形態では、コンデンサ31のみを設ける場合に比較してゲート電圧VgeのIGBT22bのミラー電圧Vgmに達するまでの時間を短くしてスイッチング損失を低減し、ターンオン損失を低減することができる。
However, in the present embodiment, by connecting the
また、ゲート電圧Vgeがミラー電圧Vgmに達することにより、IGBT22bのコレクタ電流Icが、図4の実線図示の特性線L21で示すように、零から増加を開始し、コレクタ−エミッタ間電圧Vceが、図4の実線で図示するように、減少を開始する。このときのコレクタ電流Icの増加率(dI/dt)はコンデンサ31を設けない場合の点線図示の特性線L22に比較して増加率(dI/dt)が小さくなる。このため、コレクタ電流Icのオーバーシュート時の最大電流はコンデンサ31を設けない場合のコレクタ電流Icのオーバーシュート時の最大電流より小さい値に抑制できる。なお、コンデンサ31のみを接続した場合には、図4で一点鎖線図示の特性線L23で示すように、コレクタ電流Icの増加時の増加率(dI/dt)をより小さくすることができ、オーバーシュート時の最大電流をより抑制することができるが、前述したようにターンオン損失が増加する。
Further, when the gate voltage Vge reaches the mirror voltage Vgm, the collector current Ic of the
このように、本実施形態では、ターンオン時に、コレクタ電流Icの増加時のオーバーシュート時の最大電流を抑制することにより、配線インダクタンスを含むインダクタンス成分に蓄積するエネルギーを抑制することができる。
次に、上アームを構成するIGBT22a及び下アームを構成するIGBT22bがともにオフ状態であり、三相交流電動機15のコイルに蓄積されたエネルギーにより下側アームを構成するIGBT22bの還流ダイオード24bを通じて図5に示す還流電流Ifが流れている還流状態にある場合を説明する。
Thus, in this embodiment, at the time of turn-on, the energy accumulated in the inductance component including the wiring inductance can be suppressed by suppressing the maximum current at the time of overshoot when the collector current Ic is increased.
Next, the
この還流状態では、還流ダイオード24bのアノード−カソード間電圧Vrは、図5の左側部分に示すように、零となっている(厳密にはダイオードの順方向電圧だけドロップしているが、小さな値なので図5では無視している。)。なお、図5において還流電流Ifは、図2に示すIc(b)の矢印と逆方向に流れる電流を正としている。
この還流状態から上アームを構成するIGBT22aがオン状態に制御されると、還流ダイオード24bが順バイアス状態から逆バイアス電圧が印加された状態に変化する。このとき、IGBT22a及び22bの双方にコンデンサ31を設けていない場合には、還流ダイオード24bに流れている還流電流Ifが、図5で点線図示のように、比較的大きな減少率(−dI/dt)で減少する。その後、還流電流Ifが零を超えて逆方向に流れる逆回復電流となる逆回復動作状態となる。
In this return state, the anode-cathode voltage Vr of the
When the
すなわち、還流ダイオード24bのPN接合が順バイアスされる状態ではキャリアの注入によりN−層が飽和状態となっているが、ダイオード電極に逆バイアス電圧が印加されると、PN接合は逆電圧回復による遮断動作を始める。しかし、PN接合は順バイアスにより蓄積されたキャリアの飽和状態から、直ちに逆電圧が回復した状態に移行することができず、N−層に蓄積された過剰キャリアは、空乏層が最初に回復するPN接合部分を基点として、電子はN−層側から、正孔はP層側から排出され、N−層に蓄積された過剰キャリアが再結合で消滅するまで電流が流れる。この電流が逆回復電流として観察される。
That is, when the PN junction of the free-wheeling
この逆回復動作状態では、過剰キャリアが減少してPN接合の逆耐圧が回復するにつれて、逆回復電流は減少し流れなくなる。この逆回復電流の減少率(−dIf/dt)により、回路中の寄生インダクタンスL′によって、逆回復サージ電圧(=L′×dIf/dt)が発生する。この逆回復サージ電圧は、図5で点線図示の特性線L32に示すように、還流電圧Vrに比較的大きなピーク値Vrpを有する。
これに対して、IGBT22a及び22bのゲート駆動装置25a及び25bにコンデンサ31及びスイッチ素子32の直列回路を設けることにより、ターンオン時の上アームとなるIGBT22aのコレクタ電流Icの増加率(dI/dt)が、図4に示すように、減少する。このため、下アームとなるIGBT22bでは、還流状態から、逆回復動作状態で、還流電流Ifの減少率(−dIf/dt)が図5で実線図示のようにコンデンサ31を設けない場合に比較して小さくなる。また、逆回復動作状態での逆回復電流のピーク値もコンデンサ31を設けない場合に比較して小さくなる。
In this reverse recovery operation state, as the excess carriers decrease and the reverse breakdown voltage of the PN junction recovers, the reverse recovery current decreases and does not flow. Due to the reduction rate of the reverse recovery current (-dIf / dt), a reverse recovery surge voltage (= L '× dIf / dt) is generated by the parasitic inductance L' in the circuit. The reverse recovery surge voltage has a relatively large peak value Vrp in the return voltage Vr, as indicated by a characteristic line L32 shown by a dotted line in FIG.
On the other hand, the increase rate (dI / dt) of the collector current Ic of the
このため、逆回復サージ電圧は、前述したように、回路中の寄生インダクタンスL′と還流電流Ifの減少率(−dIf/dt)で決定されるので、逆回復サージ電圧のピーク値Vrpを図5で実線図示の特性線L31で示すようにコンデンサ31を設けない場合に比較して減少させることができる。
この実施形態による逆回復サージ電圧の減少量は、コンデンサ31のみを設けた場合の減少量(図5で一点鎖線図示の特性線L33)に比較しては小さいが十分なサージ電圧抑制効果を得ることができる。
For this reason, as described above, the reverse recovery surge voltage is determined by the parasitic inductance L ′ in the circuit and the reduction rate (−dIf / dt) of the return current If. Therefore, the peak value Vrp of the reverse recovery surge voltage is shown in FIG. As shown by the characteristic line L31 shown by a solid line in FIG. 5, it can be reduced as compared with the case where the
Although the amount of reduction of the reverse recovery surge voltage according to this embodiment is small compared with the amount of reduction when only the
コンデンサ31のみを設けた場合には、前述したように、IGBT22bのゲート容量にコンデンサ31の容量が加算されるので、ターンオン時のゲート電圧特性が、図3で一点鎖線図示の特性線L13ように、ゲート電圧Vgeの立ち上がりが遅くなり、ターンオン時のスイッチング損失が大きくなるとともに、ターンオフ時のゲート容量放電時間も長くなってターンオフ時のスイッチング損失も大きくなる。
しかしながら、本実施形態によると、スイッチ素子32のオン期間だけコンデンサ31がIGBT22bのゲート−エミッタ間に接続されることになり、コンデンサ31のみを設ける場合に比較して、ターンオン時のスイッチング損失を抑制することができる。
When only the
However, according to the present embodiment, the
しかも、ターンオフ時のスイッチング損失はコンデンサ31を設けない場合と同等に抑制することができる。すなわち、本実施形態では、ターンオフ時には、pnp型バイポーラトランジスタ29がオン状態となって、IGBT22bのゲート容量に蓄積された電荷がゲート抵抗30を介して放電される。この際、コンデンサ31に蓄積された電荷は、スイッチ素子32がオン状態であっても、スイッチ素子32を構成するnpn型バイポーラトランジスタのエミッタからコレクタへは電流が流れないことにより、コンデンサ31の放電路が形成されない。このため、ターンオフ時には、コンデンサ31を設けない場合と同じになり、スイッチング損失が増加することはない。
Moreover, the switching loss at turn-off can be suppressed to the same level as when the
なお、コンデンサ31に蓄積された電荷は、ゲート抵抗30に比較して抵抗値の大きな放電用抵抗33によってPWM信号の1つのパルスのオフ時間内に放電される。
また、前述した従来例では、ゲート抵抗及びIGBTのゲート電極間にダイオードを介してコンデンサを接続している。このため、コンデンサの充電電圧は、ゲート電圧Vgeに対してダイオードの降下電圧分低くなり、逆回復サージ電圧を抑制する効果がこの分制限される。これに対して、本実施形態では、ベース電流に制限がなくバイポーラトランジスタのオン電圧(オンしているときのエミッタ・コレクタ間電圧)が充分小さい。このため、実質的にゲート抵抗30及びIGBT22bのゲート電極間に直接コンデンサ31が接続されているのと等しくなるので、コンデンサ31の充電電圧は、ゲート電圧Vgeまでフルに充電することができる。したがって、逆回復サージ電圧に対して、より大きな削減効果を発揮することができる。
The electric charge accumulated in the
In the conventional example described above, a capacitor is connected between the gate resistor and the gate electrode of the IGBT via a diode. For this reason, the charging voltage of the capacitor is lower than the gate voltage Vge by the drop voltage of the diode, and the effect of suppressing the reverse recovery surge voltage is limited by this amount. In contrast, in this embodiment, the base current is not limited, and the on-voltage of the bipolar transistor (the emitter-collector voltage when it is on) is sufficiently small. For this reason, since it becomes substantially equal to the
なお、上記実施形態では、コンデンサ31に接続したスイッチ素子32としてnpnバイポーラトランジスタを適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図6に示すように、npnバイポーラトランジスタに代えてダイオード34及びnチャネルMOSFET35の直列回路を適用するようにしてもよい。
ここで、ダイオード34はコンデンサ31とnチャネルMOSFET35との間に設けても、nチャネルMOSFET35とIGBT22bのエミッタとの間に設けてもよく、IGBT22bのエミッタ側からコンデンサ31に向かって流れる電流を阻止できればよい。
In the above embodiment, the case where an npn bipolar transistor is applied as the
Here, the
このように、ダイオード34とnチャネルMOSFET35とでスイッチ素子32を構成することにより、前述したnpn型バイポーラトランジスタを適用する場合と同等の作用効果を得ることができる。また、nチャネルMOSFET35の閾値電圧をダイオードの順方向電圧より高いものにしておけば、前述した従来例に比してターンオン損失を抑制することができる。
また、上記実施形態では、電力変換装置10が三相交流電源11からの三相交流電力を直流に変換する整流回路を備えている場合について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、三相交流電源11に代えて単相交流電源を適用することもでき、さらには、バッテリー等の直流電源を使用することもできる。
As described above, by configuring the
Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the
本発明の技術的範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらす全ての実施形態をも含む。さらに、本発明の技術的範囲は、請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画され得る。 The technical scope of the present invention is not limited to the illustrated and described exemplary embodiments, and includes all embodiments that provide an effect equivalent to the intended purpose of the present invention. Further, the technical scope of the present invention is not limited to the combinations of features of the invention defined by the claims, but is defined by any desired combination of specific features among all the disclosed features. obtain.
10…電力変換装置、11…三相交流電源、12…整流回路、13…平滑用コンデンサ、15…三相交流電動機、21…インバータ回路、22a〜22f…IGBT、23U…U相出力アーム、23V…V相出力アーム、23W…W相出力アーム、24a〜24f…還流ダイオード、25a〜25f…ゲート駆動装置、26…インターフェイス回路、27…ゲート駆動回路、30…ゲート抵抗、31…コンデンサ、32…スイッチ素子、33…放電用抵抗、34…ダイオード、35…nチャネルMOSFET
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記制御電極と前記駆動回路との間に接続した抵抗と、
該抵抗と前記制御電極との間に一端を接続したコンデンサと、
該コンデンサの他端と前記電圧制御形半導体素子の低電位側電極との間に接続されたスイッチ素子とを備え、
前記スイッチ素子の制御電極を前記抵抗及び前記コンデンサの接続点に接続したことを特徴とする半導体素子の駆動装置。 A drive device for a semiconductor device comprising a drive circuit for driving a control electrode of a voltage controlled semiconductor device in which freewheeling diodes are connected in antiparallel,
A resistor connected between the control electrode and the drive circuit;
A capacitor having one end connected between the resistor and the control electrode;
A switching element connected between the other end of the capacitor and the low potential side electrode of the voltage controlled semiconductor element;
A drive device for a semiconductor element, wherein a control electrode of the switch element is connected to a connection point of the resistor and the capacitor.
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